中國科研團(tuán)隊海水制氫成果再登《自然》子刊

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　　2024年10月15日，謝和平院士團(tuán)隊以深圳大學(xué)和四川大學(xué)共建的深地工程智能建造與安全運維全國重點實驗室為第一單位，在Nature Communications上發(fā)表題為“Redox-mediateddecoupledseawaterdirectsplitting for H2production”的研究成果。這是謝和平院士繼海水直接電解制氫Nature正刊后，在該領(lǐng)域的第二篇Nature子刊。

　　不同于2022年11月謝和平院士團(tuán)隊Nature正刊上提出的相變遷移海水直接電解制氫顛覆性原理技術(shù)，該研究是謝和平院士團(tuán)隊圍繞海水中的氯離子引發(fā)副反應(yīng)和電極腐蝕現(xiàn)象，提出的另一種新的解耦式海水直接電解制氫策略。論文系統(tǒng)研究了鐵氰酸根/亞鐵氰酸根電對([Fe(CN)6]3?/4?)在真實海水體系下可逆氧化還原特性，探明了電解系統(tǒng)陰極析氫反應(yīng)與陽極亞鐵氰酸根氧化反應(yīng)的高效性，厘清了解耦體系下氧氣自發(fā)穩(wěn)定產(chǎn)出的反應(yīng)機(jī)理，實現(xiàn)了全新系統(tǒng)在真實海水環(huán)境下250小時的長時間穩(wěn)定。該項原理技術(shù)巧妙規(guī)避了海水中氯離子對電解制氫反應(yīng)的干擾，充分驗證了解耦式海水直接電解制氫系統(tǒng)在復(fù)雜海水環(huán)境下的抗腐蝕性與對氯離子副反應(yīng)的應(yīng)用潛力，將有助于豐富和進(jìn)一步構(gòu)建破解海水復(fù)雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術(shù)框架。

圖一：解耦式海水直接電解制氫策略

　　該研究針對海水制氫中最棘手的氯離子干擾難題，引入氧化還原介導(dǎo)的解耦策略，利用兼具熱力學(xué)和動力學(xué)優(yōu)勢的陽極反應(yīng)，巧妙規(guī)避了傳統(tǒng)電解水制氫過程中析氧反應(yīng)與氯離子反應(yīng)的直接競爭，大幅降低了電化學(xué)腐蝕。在該研究中，[Fe(CN)6]3?/4?電對在在海水中不僅保持了優(yōu)異的可逆氧化還原動力學(xué)特性，而且在200 mA cm?2的接近工業(yè)級電流密度下實現(xiàn)了超過250小時的長時間穩(wěn)定運行。

圖二：Fe(CN)6]3?/4?電對在海水中的氧化還原性能

圖三：解耦式海水直接電解制氫系統(tǒng)及電解制氫效果

　　海水電解制氫是未來能源體系的重要發(fā)展路徑。傳統(tǒng)海水間接制氫技術(shù)先淡化后制氫，依賴復(fù)雜的海水淡化工藝和設(shè)備，占用面積大、投資成本和工程難度高。自20世紀(jì)70年代初期，科學(xué)界便開始探索海水直接電解制氫的可能性。在過去幾十年中，包括美國斯坦福大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心、澳大利亞阿德萊德大學(xué)、中國科學(xué)院在內(nèi)的多個國際知名研究機(jī)構(gòu)，通過催化劑設(shè)計、膜材料科學(xué)等策略，對海水直接電解制氫中的氯離子干擾、鈣鎂鹽沉淀以及催化劑失活等關(guān)鍵難題進(jìn)行了深入研究。

　　2022年11月，謝和平院士團(tuán)隊通過將分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)過程與電化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，創(chuàng)新提出了相變遷移海水直接電解制氫全新路徑，從根本上破解了海水直接電解制氫的難點和瓶頸，成果發(fā)表于Nature(Nature, 2022, 612(7941): 673-678)，并入選“2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。2023年5月，謝和平院士團(tuán)隊與東方電氣集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了漂浮式制氫系統(tǒng)“東福一號”，在3～8級大風(fēng)、0.3～0.9米海浪條件下穩(wěn)定運行，打造了全球首個海上風(fēng)電海水無淡化原位直接電解制氫示范(Nature Communications, 2024, 15(1): 5305)，首次驗證了在海洋復(fù)雜荷載環(huán)境下的海水無淡化原位直接電解制氫可行性，構(gòu)建了與再生能源相結(jié)合的一體化海水直接制氫全新模式，是目前全球唯一的漂浮式海上直接電解制氫示范案例，也標(biāo)志著謝和平院士團(tuán)隊世界獨創(chuàng)、完全自主研發(fā)的全新原理新技術(shù)正在快速邁向產(chǎn)業(yè)化。

　　解耦式海水直接電解制氫原理及策略開發(fā)進(jìn)一步拓寬了謝和平院士團(tuán)隊海水無淡化原位直接電解制氫全新原理技術(shù)體系，豐富和進(jìn)一步完善構(gòu)建了破解海水復(fù)雜成分影響的海水電解制氫理論體系和技術(shù)框架，為海水直接電解制氫的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論指導(dǎo)!

　　論文鏈接：/articles/s41467-024-53335-w

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